王英豪

甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730030

1 前言

以北京、深圳地區(qū)為表率，全國(guó)越來(lái)越多的城市在主要控制范圍內(nèi)開(kāi)始強(qiáng)制性使用純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)作業(yè)車(chē)輛。因此，基于純電動(dòng)二類(lèi)底盤(pán)上的環(huán)衛(wèi)車(chē)改裝成為了當(dāng)今環(huán)衛(wèi)車(chē)制造業(yè)中的主流工作。與傳統(tǒng)燃油車(chē)底盤(pán)改裝相比較，其上裝動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)具有最顯著的特殊性，尤其是一些負(fù)載較小的環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，若直接利用底盤(pán)低壓蓄電池取力其功率輸出難以支持，而使用底盤(pán)自帶的高壓DC接口又會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不匹配的情況。

本文以純電動(dòng)自卸式垃圾車(chē)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種帶有車(chē)載稱(chēng)重單元的上裝控制系統(tǒng)，且在研制過(guò)程中，針對(duì)與目標(biāo)底盤(pán)接口不匹配問(wèn)題提出了可靠的解決方案，為純電動(dòng)自卸式垃圾車(chē)上裝控制系統(tǒng)的研制拓寬了新思路。

2 上裝動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)搭建

純電動(dòng)自卸式垃圾車(chē)底盤(pán)選用某品牌二類(lèi)底盤(pán)，其底盤(pán)蓄電池正極保險(xiǎn)盒預(yù)留有一路60 A的保險(xiǎn)，為上裝系統(tǒng)的12 V低壓取電接口。根據(jù)底盤(pán)對(duì)接協(xié)議，該蓄電池最大功率不能超過(guò)720 W，負(fù)載所使用的油泵電機(jī)額定功率為2.2 kW/24 V或12 V的直流電動(dòng)機(jī)。因此若直接在蓄電池上取電，直流電機(jī)瞬間啟動(dòng)電流大于100 A，會(huì)熔斷蓄電池保險(xiǎn)，并且造成蓄電池?fù)p壞。底盤(pán)多合一控制器預(yù)留一高壓DC接口，可輸出13 kW額定功率，能夠滿(mǎn)足負(fù)載功率需求，但接口電壓與底盤(pán)平臺(tái)電壓一致均為DC290 V，需要對(duì)接口電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

選用一種電源供應(yīng)器，可輸入端接入2 5 0～3 7 0 VDC、額定功率3 kW，滿(mǎn)足負(fù)載的需求，經(jīng)初期測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，底盤(pán)預(yù)留的高壓DC接口伴隨底盤(pán)主高壓繼電器吸合輸出直流高壓。在底盤(pán)上高壓時(shí)，電源供應(yīng)器的大電容容性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致底盤(pán)高壓預(yù)充上電過(guò)程中電壓達(dá)不到主繼電器吸合條件，從而致使底盤(pán)上高壓失敗。因此需要設(shè)計(jì)一種適用于上裝電源系統(tǒng)的預(yù)充電路，以滿(mǎn)足需要。從底盤(pán)高壓DC接口起，經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)充電路與電源供應(yīng)器相連接，電源供應(yīng)器輸出端與負(fù)載連接，其整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)充電路設(shè)計(jì)

初期測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)底盤(pán)高壓上電失敗的狀態(tài)，通過(guò)報(bào)文采集發(fā)現(xiàn)電源供應(yīng)器在電壓150 V時(shí)達(dá)到激活條件。根據(jù)容性負(fù)載電壓不突變特性，導(dǎo)致底盤(pán)上電預(yù)充上電過(guò)程中出口電壓始終達(dá)不到主繼電器吸合條件，從而致使底盤(pán)高壓上電無(wú)法成功。這就需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于上裝系統(tǒng)的預(yù)充電路，該電路使底盤(pán)單獨(dú)進(jìn)行高壓上電流程，利用底盤(pán)上空余的按鍵開(kāi)關(guān)，采集開(kāi)關(guān)分?jǐn)嘈盘?hào)，根據(jù)分?jǐn)嘈盘?hào)控制預(yù)充電路繼電器，從而實(shí)現(xiàn)既能滿(mǎn)足底盤(pán)順利高壓上電，又能實(shí)現(xiàn)上裝系統(tǒng)電源供應(yīng)器激活，其設(shè)計(jì)的預(yù)充電路如圖2所示。

圖2 上裝預(yù)充電路

設(shè)計(jì)中，繼電器選擇了一種滅弧能力較好的專(zhuān)用車(chē)載高壓繼電器，解決上裝高壓斷電時(shí)出現(xiàn)的拉弧現(xiàn)象對(duì)底盤(pán)BCM的沖擊，防止了整車(chē)高壓斷電。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)底盤(pán)廠改裝要求，不推薦上裝控制直接從底盤(pán)蓄電池直接取電，因此設(shè)計(jì)中對(duì)底盤(pán)鑰匙開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的“ON”檔信號(hào)進(jìn)行處理，此時(shí)上裝控制系統(tǒng)以底盤(pán)鑰匙開(kāi)關(guān)開(kāi)啟為上電條件。

整個(gè)上裝控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、稱(chēng)重傳感器、變送器、GPS模塊、遙控接收機(jī)組成。人機(jī)界面具有顯示、控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)的作用[1]；遙控接收機(jī)接收油缸舉升信號(hào)后將高低電平信號(hào)傳遞給主控制器；稱(chēng)重傳感器采集到箱體壓力后通過(guò)變送器將模擬量發(fā)送至GPS模塊，GPS模塊將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳遞至人機(jī)界面，將重量數(shù)值在人機(jī)界面上顯示。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的硬PLC主要適用于工業(yè)控制場(chǎng)所，雖能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的編程和邏輯控制，但是設(shè)備本身的防護(hù)等級(jí)以及抗震、抗復(fù)雜環(huán)境性能較差，不太適用于車(chē)載環(huán)境，因此本次設(shè)計(jì)選用了一種軟PLC，即SoftPLC，也稱(chēng)為軟邏輯，是將一種實(shí)用嵌入式控制器作為硬件支撐平臺(tái)，利用軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硬PLC的基本功能。利用這種軟PLC可以進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能[2]。

圖3 控制系統(tǒng)電氣原理圖

本次設(shè)計(jì)選用了一種Cortex-M架構(gòu)的JCP100-200嵌入式控制，以CoDeSys為編程平臺(tái)，由于現(xiàn)實(shí)界面要讀取箱體載重質(zhì)量以及對(duì)舉升油缸進(jìn)行按鍵控制，需添加Image Pool控件，并且在Image Pool內(nèi)添加BMP圖片。在Main頁(yè)面上，從Toolbox中的Common controls里添加一個(gè)TextField，并設(shè)置取值至要求的區(qū)域，如圖4所示。

圖4 圖形化界面設(shè)計(jì)

4 稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的自卸式垃圾車(chē)主要用于城市街道、社區(qū)垃圾收集并集中處理，為防止垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)垃圾亂排亂卸，以及方便進(jìn)行片區(qū)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)量精準(zhǔn)計(jì)量，需要安裝車(chē)載稱(chēng)重單元以滿(mǎn)足實(shí)際需要。傳統(tǒng)的車(chē)載稱(chēng)重單元是將稱(chēng)重傳感器直接固定在車(chē)架與上裝箱體之間。為保證稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的精確度，稱(chēng)重傳感器往往不能選用過(guò)大量程，因?yàn)樵谲?chē)輛帶載行駛中，在地面減速帶或者其他復(fù)雜路面情況的影響下，很容易產(chǎn)生因瞬間慣性沖擊導(dǎo)致的傳感器超載損毀的現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重傳感器脫開(kāi)和投入的稱(chēng)重單元，支持稱(chēng)重傳感器墊鐵位置檢測(cè)和箱體位置檢測(cè)，并且在駕駛室上裝控制系統(tǒng)上進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、傳感器投切控制以及狀態(tài)報(bào)警，整體車(chē)載稱(chēng)重系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車(chē)載稱(chēng)重系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上電啟動(dòng)，完成初始化，終端進(jìn)行系統(tǒng)自檢。如自檢完成后在Main主函數(shù)中循環(huán)運(yùn)行所有任務(wù)。稱(chēng)重任務(wù)中，首先對(duì)稱(chēng)重傳感器采集到的模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量會(huì)同其它稱(chēng)重相關(guān)信號(hào)量提供給 C P U，經(jīng)過(guò)算法處理后得到車(chē)輛重量值。GPS定位任務(wù)中，當(dāng)CPU檢測(cè)接收到正確的GPS數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行解析，得到車(chē)輛位置、速度信息，與上述稱(chēng)重值一起送給人機(jī)界面顯示，并共同打包上傳至客戶(hù)端。存儲(chǔ)任務(wù)對(duì)文件系統(tǒng)初始化和大容量存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)完成之后，根據(jù)需要打開(kāi)或創(chuàng)建文件寫(xiě)入當(dāng)天內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉文件[3-4]。

當(dāng)檢測(cè)到車(chē)箱抬起，此時(shí)綠燈亮起，提示稱(chēng)重傳感器在稱(chēng)重狀態(tài)；當(dāng)投入稱(chēng)重傳感器墊鐵后，落下箱體時(shí)箱體重量壓在稱(chēng)重傳感器表面，此時(shí)提示稱(chēng)重傳感器到位，并且蜂鳴報(bào)警器報(bào)警，提示已進(jìn)入到稱(chēng)重狀態(tài)，該狀態(tài)下駕駛員不能駕駛車(chē)輛，否則容易導(dǎo)致稱(chēng)重傳感器超載損毀。如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

首先使用電子磅對(duì)上裝箱體進(jìn)行稱(chēng)重，確定空載時(shí)單個(gè)箱體的標(biāo)準(zhǔn)重量，選用若干標(biāo)準(zhǔn)重量的沙袋備用，作為重量校準(zhǔn)砝碼。投入稱(chēng)重傳感器，空載狀態(tài)下落箱體，然后清除箱體重量將裝載重量調(diào)零。逐漸均勻向箱體內(nèi)填裝標(biāo)準(zhǔn)沙袋，在裝載重量顯示框中讀數(shù)，為調(diào)整顯示讀數(shù)與實(shí)際裝載重量的誤差，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)增加了系數(shù)調(diào)整窗口，對(duì)顯示框讀數(shù)與實(shí)際裝載重量對(duì)比并進(jìn)行調(diào)整，如圖7所示。

圖7 系數(shù)調(diào)整界面

基于GPS的客戶(hù)端支持通過(guò)Internet訪問(wèn)所添加的車(chē)輛狀態(tài)，如圖8所示，在主界面上除可以查詢(xún)車(chē)輛行駛軌跡和當(dāng)前定位外，還可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)稱(chēng)重系統(tǒng)上傳的裝載重量數(shù)值，幫助管理者對(duì)車(chē)輛進(jìn)行統(tǒng)一管理和裝載垃圾量的狀態(tài)監(jiān)控，判斷工作人員是否按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行垃圾裝載及轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖8 客戶(hù)端管理界面

6 結(jié)語(yǔ)

本文以純電動(dòng)底盤(pán)自卸式垃圾車(chē)制造為研究對(duì)象，克服純電動(dòng)底盤(pán)與上裝動(dòng)力負(fù)載不匹配的情況，設(shè)計(jì)并搭建了一套既滿(mǎn)足底盤(pán)對(duì)接工況又能適用于負(fù)載的上裝動(dòng)力系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，純電動(dòng)自卸式垃圾車(chē)上裝控制系統(tǒng)控制界面友好，操作不僅支持人機(jī)界面操作，還拓展了無(wú)線遙控功能，為上裝部件的控制提供了方便。支持傳感器位置檢測(cè)、報(bào)警與投切控制的車(chē)載稱(chēng)重系統(tǒng)不僅解決了客戶(hù)所需求的實(shí)時(shí)裝載稱(chēng)重功能，還有效解決了車(chē)輛行駛中稱(chēng)重傳感器超載損壞的問(wèn)題，對(duì)同類(lèi)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有著重要的研究意義。